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JP3698312B2 - Biosensor and biosensor manufacturing method - Google Patents

Biosensor and biosensor manufacturing method Download PDF

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JP3698312B2
JP3698312B2 JP2001157175A JP2001157175A JP3698312B2 JP 3698312 B2 JP3698312 B2 JP 3698312B2 JP 2001157175 A JP2001157175 A JP 2001157175A JP 2001157175 A JP2001157175 A JP 2001157175A JP 3698312 B2 JP3698312 B2 JP 3698312B2
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Japan
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biosensor
membrane
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protrusion
glucose
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総一 齋藤
敦 齋藤
悟 池田
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Tanita Corp
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Tanita Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は水溶液中の特定成分を定量するバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法に係わり、特に反応層より内側に選択透過膜を有し、反応層より外側に制限透過膜を有するバイオセンサの制限透過膜の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、医療や分析の分野においてバイオセンサを用いた計測が盛んに行なわれている。バイオセンサの中では電流検出型のグルコースセンサが良く知られている。このグルコースセンサは血糖値や尿糖値の測定に広く利用されている。
【0003】
最も一般的なグルコースセンサではグルコース酸化酵素(GOX)を用いてグルコースがグルコノラクトンと過酸化水素に変換される反応を利用している。すなわち、下記の(1)式の様に反応する。
グルコース + O2 → グルコノラクトン + H2 2 ・・・(1)
(C6 126 ) GOX (C6 106
この(1)式で生成した過酸化水素を作用極で酸化して反応量を電流値として検出する。電極での反応は(2)式の通りである。
2 2 →O2 +2e- +2H2 + ・・・(2)
【0004】
(1)及び(2)式から明らかなように、グルコースに比べてO2 が過剰に存在する場合には、溶液中のグルコース濃度は電流に比例するのでグルコース濃度を定量できる。しかしながら、反応に関与するO2 はサンプル中の溶存酸素であり、前記の反応はグルコース濃度(血糖値)40mg/dl程度で飽和してしまう。実用的な血糖値測定では50〜500mg/dl、尿糖値は0〜2000mg/dl程度の範囲が要求される。そこで測定範囲を広げるために1)サンプルを希釈する、2)酸素の替わりに反応する電子受容体をセンサに搭載する、3)外層に多孔膜から成る制限透過膜を配してグルコースの透過を制限して相対的なO2 濃度を大きくする、などの工夫が為されている。
【0005】
このうち1)は希釈液および、希釈装置が必要になる、2)は1回だけしか使えないという問題がある。これに対し3)は機構が簡単で繰り返し使用できるという利点を有する。このため、制限透過膜の研究が種々行なわれている。
【0006】
その一例が特開平9−304330に開示されている。図8はバイオセンサを用いた尿糖測定器を示し、図9はバイオセンサの図8におけるB−B′断面矢視図である。
【0007】
図8に示す尿糖測定器110は酵素の働きを利用して、尿中の糖を検出するもので、測定器本体111にセンサ本体113がセンサキャップ117を介して着脱自在と成され、測定器本体111内には各種の電子回路を内蔵し、電池カバー112を介して電池等を挿入可能と成され、測定器本体111の表面には尿糖の測定値を表示するLCD等の表示部114が設けられている。
【0008】
センサ本体113はバイオセンサ100をセンサホルダ119の先端に内蔵し、尿をこのバイオセンサ100に掛ければ自動的に尿中の糖値が表示部114に表示されるようになる。
【0009】
バイオセンサ100は図9に示す様に、絶縁性基板101上に作用極102と対極103が形成され、その上に選択透過膜104、固定化酵素膜105、ポリカーボネイト多孔膜108が順次積層されている。ここで、ポリカーボネイト多孔膜が制限透過膜108として作用し、血糖値等の測定範囲は0〜500mg/dlまで拡大されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし引用した従来の方法は下記の課題を有する。第1に制限透過膜108として用いるフィルムが高価である。このフィルムはポリカーボネイト膜に中性子線を照射し、中性子線で変質した変質部を化学エッチングして所定の透孔を形成する様に作製されるため通常の樹脂材料ほど安価にはなり得ない。
第2の課題はフィルムを1つ1つのセンサに貼る工程が必要になることである。このような作業は通常のウェハ製膜プロセスに比べ多くの工数を必要とし、特に接着剤の選択が困難であり、やはりコストを上昇させる要因となる。
第3の課題は透孔の孔径、開口率といったフィルムのパラメータを簡単には変更できないことである。フィルムの作製には大規模な設備を必要とし多品種少量生産が困難となる。
【0011】
本発明は叙上の課題を解決するためになされたものであり、発明が解決しようとする課題は簡単なプロセスによりバイオセンサに用いる制限透過膜の開口率を容易に設定出来てグルコース濃度が0〜5000mg/dl程度まで飽和しないバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係わる発明は反応層(固定化酵素膜)5より下側に選択透過膜4を有し、反応層5より外側に制限透過膜8を有するバイオセンサ10であって、制限透過膜8の下地層上に非有機溶剤を剥離液とする感光性材料により設けられた微小な複数の突起部6と、この複数の突起部6の周囲に設けた不透水性膜7とを具備し、この複数の突起部6を除去して不透水性膜を残して微小な複数の小開口を有する制限透過膜8と成したことを特徴とするバイオセンサとしたものである。
【0013】
請求項2に係わる発明はバイオセンサ10が電流検出型のバイオセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0014】
請求項3に係わる発明はバイオセンサ10がグルコースセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0015】
請求項4に係わる発明はバイオセンサ10が過酸化水素電極とグルコース酸化酵素からなるグルコースセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0016】
請求項5に係わる発明はバイオセンサ10がイオン感応性電界効果型トランジスタをトランスデューサとして用いたバイオセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサとしたものである。
【0017】
請求項6に係わる発明は反応層より下側に選択透過膜を有し、該反応層より外側に制限透過膜を有するバイオセンサの製造方法であって、制限透過膜の下地層上に非有機溶剤を剥離液とする感光性材料を用いて微小な複数の突起部を形成する工程と、突起部の周囲に不透水性膜を形成する工程と、突起を除去する工程とから成ることを特徴とするバイオセンサの製造方法としたものである。
【0018】
請求項7に係わる発明は感光性材料の剥離液が水酸化ナトリウム水溶液であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0019】
請求項8に係わる発明は不透水性膜が80℃以下で硬化可能な樹脂であることう特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0020】
請求項9に係わる発明は不透水性膜がシリコーン、ポリウレタン、ポリアクリル酸、フッ素樹脂のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0021】
請求項10に係わる発明は突起部6が円柱状または円錐状であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0022】
請求項11に係わる発明は感光性材料を露光する工程において、オーバー露光またはアンダー露光にさせて、突起部6を正規の条件で露光したときよりも細らせることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0023】
請求項12に係わる発明は突起部6の直径が1μm以下であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0024】
請求項13に係わる発明は制限透過膜8の開口率が0.01〜10%であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0025】
請求項14に係わる発明はバイオセンサ10を同一基板14上に同時に複数個作製することを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法としたものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法を図1乃至図7によって詳記する。
【0027】
図1(A)は本発明の一形態例を示すバイオセンサの平面図、図1(B)は図1(A)のA−A′断面矢視図である。図1(A),(B)に於いて、絶縁性基板1の上に略方形状の作用極2、対極3が形成され、略方形状の電極パッド12A,12Bに連接されている。次に選択透過膜4が積層されている。選択透過膜4は検出対象のH2 2 のみを通して分子量の大きな分子を排除する目的で設置される。その上方には固定化酵素膜5が形成される。その上には非有機溶剤を剥離液とするフォトレジストからなる突起部6が形成されている。
【0028】
ここで非有機溶剤を剥離液とするフォトレジストを用いる理由は下記の通りである。選択透過膜4としてはセルロース、イオン交換樹脂などが用いられることが多い。これらの材料は一般に有機溶剤に溶解する。したがって有機溶剤を剥離液とするフォトレジストを用いると、剥離時に選択透過膜4が溶解してしまう。このため非有機溶剤を剥離液とするフォトレジストを用いなければならない。この要件を満たす物としてはプリント配線板に使われるソルダレジストなどがあり、廉価に入手することができる。
【0029】
選択透過膜4の突起部6の周囲には非透水性膜7が形成されている。非透水性膜7としては常温で硬化できるものが望ましい。なぜならバイオセンサに用いられる酵素の多くは高温で失活し、触媒としての機能を失うからである。比較的熱に強いGOXにおいてもその耐熱温度は80℃程度である。この非透水性膜7の好適な樹脂としてはシリコーン、ポリウレタン、ポリアクリル酸、フッ素樹脂などが挙げられる。非透水性膜7が硬化した後、突起部6を剥離液にて除去し制限透過膜8を有するバイオセンサ10が完成する。
【0030】
図1(B)では単1の突起部6を除去したバイオセンサ10の断面図を示しているが、実際には図3(A)の平面及び図3(A)のB−B′断面矢視図の図3(B)に示す様に大面積のガラス等の絶縁性基板14上に作用極2及び対極3並びに電極パッド12A,12Bから成る複数のバイオセンサ素子上に選択透過膜4及び固定化酵素膜5並びに不透水性膜7が順次形成された状態で複数のバイオセンサ素子を一体に形成した後に、単一のバイオセンサ10を五目盤状に切断し、図1(A),(B)に示す如き単一のバイオセンサ10を得る様に成されている。
【0031】
図2(A)乃至図2(F)は図1(A),(B)のバイオセンサ10の工程を示す断面模式図である。以下、工程の順に従って説明する。図2(A)では絶縁性基板1上に蒸着等により導体膜を製膜し、フォトリソグラフィにより作用極2、対極3を形成する。図2(B)ではスピンコート等により選択透過膜4を全面に形成する。図2(C)ではスピンコート等により固定化酵素膜5を全面に形成し、非有機溶剤を剥離液とするフォトレジスト9を固定化酵素膜5上に全面に形成した後、図2(D)では露光、現像によりフォトレジスト9からなる微小な多数の突起部6を形成する。図2(E)では不透水性樹脂溶液をスピンコートなどにより塗布、乾燥させて、突起部6の周囲に不透水性膜7を形成する。図2(F)では剥離液を用いて突起部6を除去する。こうして微小な透孔11を有し不透水性材料からなる制限透過膜8が形成される。
【0032】
上述の図1乃至図3の形態例に示した電流検出型のバイオセンサに於ける一実施例を以下に説明する。
【0033】
〔実施例1〕
図3(A),(B)に示す絶縁性基板14としてガラス板を用い、その大きさを50mm×60mmとし、該ガラス板上に白金(Pt)を蒸着し、リフトオフ法やミリンク等により作用極2、対極3、電極パッド12A,12Bをパターニングしたバイオセンサ素子を100組形成する。導電膜としては金(Au)又は銀(Ag)であってもよい。
【0034】
次にスピンコートによりイオン交換樹脂{商標、Nafion(ナフィオン)}のアルコール溶液を全面に塗布し室温で乾燥し、選択酸化膜4を得る。
【0035】
次に牛血清アルブミン、グルコース酸化酵素、グルタールアルデヒドの混合溶液を全面に塗布し、室温にて乾燥させ固定化酵素膜5を形成する。
【0036】
次に、剥離液が非有機溶剤であるフォトレジスト9を図2(C)の様に塗布し、このフォトレジスト9を露光、現像して図2(D)の様に突起部9を形成する。
【0037】
フォトレジスト9を露光、現像するためのマスクのパターンは10μm四方に直径1μmの円を1個、即ち、108 /cm2 の密度で全面に設置した。現像液には1%の炭酸ナトリウム(Na2 CO3 )水溶液を用いた。次にスピンコートによりシリコーン樹脂溶液を1μmの厚さで全面に塗布した。次に4%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を用いて突起6を除去した。こうして直径1μmの透孔6を多数有する制限透過膜8を形成した。紫外線を用いたフォトリソグラフィではパターニングの限界は0.1μm程度であり、1μmのパターンを作ることは比較的容易である。こうして得られた制限透過膜8の開口率は1%弱である。尿糖等の測定範囲は開口率に反比例するので、この場合は測定範囲が元の100倍程度になるように設計したことになる。次に絶縁性基板14を分割し100個のグルコースセンサ10を得た。
【0038】
このグルコースセンサ10をポテンショスタット(定電圧安定化電源)を用いて評価した。グルコースを含むリン酸緩衝液を用いた評価では、グルコース濃度0〜5000mg/dlの範囲で直線的な検量線が得られた。次に500mg/dlのグルコースを含む血清を10回繰り返し測定したところ、変動係数(標準偏差/平均値)は0.3%であった。次に2000mg/dlのグルコースを含む尿を同様に測定したところ変動係数は10%であり、出力電流の大きさは10回の測定で10%減少した。
【0039】
なお、実施例1では不透水性膜7としてシリコーン樹脂を用いたが80℃以下で硬化可能な樹脂であればよく、例えばポリウレタン樹脂、ポリアクリル酸樹脂、フッ素樹脂等を用いることが出来る。
【0040】
又、制限透過膜8上に形成する透孔11の開口率について図4(A),(B)を用いて説明する。図4(A)は後述する他の形態例のバイオセンサ10に用いる絶縁性基板1に形成した作用極2上の透孔11を模式的に示しているが、原理的には作用極2上の開口率を制御する様に成せばよい。ここで開口率は作用極の円状面積に対する、全透孔の面積和に対する比率を示す。図4(B)は縦軸に電流検出型のバイオセンサの作用極2と対極3間に得られる出力電流をとり、横軸7にグルコース濃度をとった場合の飽和特性曲線を示している。図4(B)の飽和特性曲線22は制限透過膜8を設けない場合、飽和特性曲線、23は図9に示したポリカーボネイト多孔膜を制限透過膜108として用いた場合の飽和特性曲線であり、本発明の実施例1では開口率を1%に選択した場合を説明したが制限透過膜8の透孔11の直径、開口率の設計をフォトレジスト9の露光、現像時に用いるマスクのパターンを適当に選択し、直径を1μm以下(0を含まず)開口率を0.01〜10%に選択した場合にグルコース濃度の飽和点を血糖値測定時の50〜500mg/dlに、又、尿糖値測定時の0〜2000mg/dl(特性飽和曲線24)や、それ以上のグルコース濃度5000mg/dlまで、直線的な検量線を有する特性飽和曲線25が簡単に且つ自由に得られる。
【0041】
図5(A),(B)は本発明の他の形態例を示すものであり、図1(A),(B)と異なる点はPt,Ag,Au等で絶縁性基板1上にパターニングされた略円形(2mmφ)の作用極2を左右から囲繞する様に半月状の対極3及び参照極(基準極)13及び電極パッド12A,12B,12Cを設けたもので図1(A),(B)の対極3では参照極13を対極3に兼用しているが図5(A),(B)では測定精度向上の為に独立した参照極13を設ける様にしたものである。
【0042】
作用極2、対極3、参照極13上にコーティングされる選択透過膜4、固定化酵素膜5、不透水性膜7や透孔11からなる制限透過膜8は図1(A),(B)と同様に構成されている。
【0043】
図1(A),(B)では(1)及び(2)式の反応式にしたがって基質であるグルコースがGOXの酵素と反応することで消費されるO2 量を電流変換して測定しているが、後述するイオン感応性トランジスタ(ISFET)等を用いることも可能であり酵素としてもグルコース以外のアルコールデヒドロゲナーゼ、ペニシリナーゼ等を用いることが可能である。即ち、本発明のバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法はグルコースセンサ以外のバイオセンサにも適用可能である。
【0044】
更に、本発明のバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法の他の形態例を図6(A),(B)を用いて説明する。
【0045】
図6(A),(B)に於いて、突起部6の形成以外は図1及び図2のバイオセンサと同様に構成する。固定酵素膜5を形成した後、非有機溶剤を剥離液とするフォトレジスト9を全面に塗布する。このときレジストの厚さは図1の場合よりも薄くすることが望ましい。図6(A)の様に次に所定のマスク16を用いて光源14からレジスト9を露光する。ネガ型のレジストを用いる場合は、このときの露光量を正規の条件より数十%少なくする。次にフォトレジスト9を現像した突起部6を形成する。このようにすることによって、マスク16のパターン17より細った径の突起部6が得られる。
【0046】
図6(A)ではマスク16上のパターン17の直径が1μmであるとすれば1μmの−Δlとされた円柱状の突起部6が形成される。
【0047】
逆に図6(B)の様にポジ型のレジストを用いる場合には逆にオーバー露光にすることによって、同様の結果が得られる。即ち、マスク16上の透過部のパターン17の直径を1μmとすればオーバー露光することで透過部の直径より小さな直径の突起部6が得られる。図6(B)の場合は突起部6を円錐状と成したものである。
【0048】
〔実施例2〕
実施例1と同様にして固定化酵素膜5までを形成した。次にネガ型のフォトレジスト9を厚さ0.5μmにて塗布した。マスクパターンは実施例1と同じにした。次に露光量を実施例1よりも20%減らしてフォトレジスト9を露光した。これを現像したところ、直径0.7μmの突起部6が得られた。次いでシリコーン溶液を不透水性膜7として厚さ0.5μmにてスピンコートし、室温にて乾燥させた。次に4%NaOH水溶液を用いて突起部6を除去した。
【0049】
このグルコースセンサ10をポテンショスタットを用いた評価した。グルコースを含むリン酸緩衝液を用いた評価では、グルコース濃度0〜8000mg/dlの範囲で直線的な検量線が得られた。次に500mg/dlのグルコースを含む血清を10回繰り返し測定したところ、変動係数は0.3%であった。次に2000mg/dlのグルコースを含む尿を同様に測定したところ変動係数は5%であり、系統的な出力電流の減少は見られなかった。繰り返し再現性が実施例1よりも良かったことの原因は、制限透過膜8における透孔11の孔径が小さくなったことによって、汚染物質(タンパク質等)が固定化酵素膜5に浸入するのが防止されたことにあると思われる。より精度を上げるためにはマスクを変更して、透孔11の孔径をさらに小さくするとよいことが解る。
【0050】
図7は本発明の製造方法が適用可能な化学センサとして絶縁性基板1部分をISFET(Ion Sensitive FET)としたバイオセンサ10Aの模式的な側断面図を示すもので、電界効果型トランジスタ(FET)21のシリコン等の絶縁性基板20上にソース18及びドレイン19間に設けられるゲートの代わりに選択透過膜4、固定化酵素膜5、不透水性膜7に透孔11を穿った制限透過膜8を順次形成したものである。
【0051】
上述のISFETは電流検出型のバイオセンサ10と異なり、電気化学的な電位変化をFET21を用いて検出するもので試料(水溶液)をバイオセンサ10に浸すと固定化酵素膜5等のイオン感応層を介してFET21の表面の電位が変化するのでこの電位の変化量は水溶液中のPH値に比例することを利用し、水素イオン濃度(PH)を計測する様にしたものである。
【0052】
この場合の制限透過膜8も、不透水性膜7に穿たれる透孔11の開口率を廉価な感光性材料を用いてフォトリソグラフィにより容易に制御可能なバイオセンサ及びバイオセンサの製造方法が得られる。
【0053】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、容易かつ安価に測定範囲の広いバイオセンサが得られる。また、制限透過膜の孔径、開口率の設計が自在にできるため、コストの増加を伴うことなく、任意の特性を有するバイオセンサ及びバイオセンサを製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の形態を示す平面及び断面模式図である。
【図2】図1の工程の概略を示す断面模式図である。
【図3】本発明のバイオセンサを同時に得る場合の構成を示す平面図及び断面模式図である。
【図4】本発明に用いるバイオセンサの作用極上の開口率の説明図及びバイオセンサのグルコース濃度と検出出力電流との関係を示す飽和特性曲線説明図である。
【図5】本発明の他の形態例を示す正面図及び断面模式図である。
【図6】本発明のバイオセンサの制限透過膜の作製方法を示す要部側断面図である。
【図7】本発明のバイオセンサの他の形態例を示す断面模式図である。
【図8】従来の尿糖測定器の外観図である。
【図9】従来のバイオセンサの一例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
1,14,20‥‥絶縁性基板、2,102‥‥作用極、3,103‥‥対極、4,104‥‥選択透過膜、5,105‥‥固定化酵素膜、6‥‥突起部、7‥‥不透水性膜、8‥‥制限透過膜、9‥‥フォトレジスト、11‥‥透孔、12A,12B,12C‥‥電極パッド、13‥‥参照極、21‥‥FET、108‥‥ポリカーボネイト多孔膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a biosensor for quantifying a specific component in an aqueous solution and a method for producing the biosensor, and more particularly, a limited permeation of a biosensor having a selectively permeable membrane inside the reaction layer and a restricted permeable membrane outside the reaction layer. It relates to the improvement of the membrane.
[0002]
[Prior art]
In recent years, measurement using biosensors has been actively performed in the fields of medicine and analysis. Among biosensors, a current detection type glucose sensor is well known. This glucose sensor is widely used for measuring blood sugar levels and urine sugar levels.
[0003]
The most common glucose sensor uses a reaction in which glucose is converted into gluconolactone and hydrogen peroxide using glucose oxidase (GOX). That is, it reacts as shown in the following formula (1).
Glucose + O 2 → Gluconolactone + H 2 O 2 (1)
(C 6 H 12 O 6 ) GOX (C 6 H 10 O 6 )
The reaction amount is detected as a current value by oxidizing the hydrogen peroxide generated by the equation (1) at the working electrode. The reaction at the electrode is as shown in equation (2).
H 2 O 2 → O 2 + 2e + 2H 2 + (2)
[0004]
As is apparent from the equations (1) and (2), when O 2 is present in excess compared to glucose, the glucose concentration in the solution is proportional to the current, so that the glucose concentration can be quantified. However, O 2 involved in the reaction is dissolved oxygen in the sample, and the reaction is saturated at a glucose concentration (blood glucose level) of about 40 mg / dl. In practical blood glucose measurement, a range of 50 to 500 mg / dl and a urine sugar value of about 0 to 2000 mg / dl are required. Therefore, in order to widen the measurement range, 1) dilute the sample, 2) mount an electron acceptor that reacts instead of oxygen, and 3) place a permeation membrane consisting of a porous membrane on the outer layer to allow glucose to permeate. Some measures have been taken such as limiting and increasing the relative O 2 concentration.
[0005]
Of these, 1) requires a diluting solution and a diluting device, and 2) has the problem that it can be used only once. In contrast, 3) has the advantage that the mechanism is simple and can be used repeatedly. For this reason, various researches on restricted permeable membranes have been conducted.
[0006]
One example is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-304330. FIG. 8 shows a urine sugar measuring device using a biosensor, and FIG.
[0007]
A urine sugar measuring device 110 shown in FIG. 8 detects sugar in urine using the action of an enzyme. A sensor main body 113 is detachably attached to a measuring device main body 111 via a sensor cap 117, and the measurement is performed. Various electronic circuits are built in the instrument main body 111, and a battery or the like can be inserted through the battery cover 112. A display unit such as an LCD for displaying the measured value of urine sugar on the surface of the measuring instrument main body 111 114 is provided.
[0008]
The sensor body 113 incorporates the biosensor 100 at the tip of the sensor holder 119, and when urine is put on the biosensor 100, the sugar value in urine is automatically displayed on the display unit 114.
[0009]
As shown in FIG. 9, the biosensor 100 has a working electrode 102 and a counter electrode 103 formed on an insulating substrate 101, and a selective permeable membrane 104, an immobilized enzyme membrane 105, and a polycarbonate porous membrane 108 are sequentially laminated thereon. Yes. Here, the polycarbonate porous membrane acts as the limiting permeable membrane 108, and the measurement range of blood glucose level and the like is expanded to 0 to 500 mg / dl.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the cited conventional method has the following problems. First, the film used as the limiting permeable membrane 108 is expensive. Since this film is produced such that a polycarbonate film is irradiated with a neutron beam and the altered portion altered by the neutron beam is chemically etched to form a predetermined through hole, it cannot be made as cheap as an ordinary resin material.
The second problem is that a process of attaching a film to each sensor is required. Such an operation requires a larger number of man-hours than a normal wafer film forming process. In particular, it is difficult to select an adhesive, which also increases the cost.
A third problem is that film parameters such as the hole diameter and aperture ratio cannot be easily changed. Film production requires large-scale equipment, making it difficult to produce a variety of products in small quantities.
[0011]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The problem to be solved by the present invention is that the opening ratio of the limiting permeable membrane used in the biosensor can be easily set by a simple process, and the glucose concentration is 0. A biosensor that does not saturate to about 5000 mg / dl and a method for manufacturing the biosensor are provided.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a biosensor 10 having a selectively permeable membrane 4 below the reaction layer (immobilized enzyme membrane) 5 and a restricted permeable membrane 8 outside the reaction layer 5, which is a restricted permeable membrane. A plurality of minute projections 6 provided on a base layer 8 of a photosensitive material using a non-organic solvent as a peeling solution, and an impermeable film 7 provided around the plurality of projections 6. The biosensor is characterized in that the plurality of protrusions 6 are removed to leave a water-impermeable film, thereby forming a limited permeable membrane 8 having a plurality of small openings.
[0013]
The invention according to claim 2 is the biosensor according to claim 1, wherein the biosensor 10 is a current detection type biosensor.
[0014]
The invention according to claim 3 is the biosensor according to claim 1, wherein the biosensor 10 is a glucose sensor.
[0015]
The invention according to claim 4 is the biosensor according to claim 1, wherein the biosensor 10 is a glucose sensor comprising a hydrogen peroxide electrode and glucose oxidase.
[0016]
The invention according to claim 5 is the biosensor according to claim 1, wherein the biosensor 10 is a biosensor using an ion-sensitive field effect transistor as a transducer.
[0017]
The invention according to claim 6 is a method of manufacturing a biosensor having a permselective membrane below the reaction layer and a restrictive permeation membrane outside the reaction layer, wherein the organic layer is formed on the underlayer of the restrictive permeation membrane. The method comprises a step of forming a plurality of minute protrusions using a photosensitive material having a solvent as a peeling solution, a step of forming a water-impermeable film around the protrusions, and a step of removing the protrusions. This is a method for manufacturing a biosensor.
[0018]
The invention according to claim 7 is the method for producing a biosensor according to claim 6, wherein the stripping solution of the photosensitive material is an aqueous sodium hydroxide solution.
[0019]
The invention according to claim 8 is the biosensor manufacturing method according to claim 6, wherein the water-impermeable film is a resin curable at 80 ° C. or lower.
[0020]
The invention according to claim 9 is the biosensor manufacturing method according to claim 6, characterized in that the water-impermeable film is mainly composed of any one of silicone, polyurethane, polyacrylic acid, and fluororesin. .
[0021]
The invention according to claim 10 is the method for producing a biosensor according to claim 6, wherein the protrusion 6 is cylindrical or conical.
[0022]
The invention according to claim 11 is characterized in that, in the step of exposing the photosensitive material, overexposure or underexposure is performed so that the protrusion 6 is made thinner than when exposed under normal conditions. This is a method for manufacturing a biosensor.
[0023]
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the biosensor manufacturing method according to the sixth aspect, wherein the diameter of the protrusion 6 is 1 μm or less.
[0024]
A thirteenth aspect of the present invention is the biosensor manufacturing method according to the sixth aspect of the present invention, wherein the aperture ratio of the restricted permeable membrane 8 is 0.01 to 10%.
[0025]
The invention according to claim 14 is the method of manufacturing a biosensor according to claim 6, wherein a plurality of biosensors 10 are simultaneously produced on the same substrate 14.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the biosensor and the biosensor manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0027]
FIG. 1A is a plan view of a biosensor showing an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 1A and 1B, a substantially rectangular working electrode 2 and a counter electrode 3 are formed on an insulating substrate 1 and connected to substantially rectangular electrode pads 12A and 12B. Next, the permselective membrane 4 is laminated. The permselective membrane 4 is installed for the purpose of eliminating molecules having a large molecular weight only through the H 2 O 2 to be detected. Above this, an immobilized enzyme membrane 5 is formed. A projection 6 made of a photoresist using a non-organic solvent as a stripping solution is formed thereon.
[0028]
The reason for using a photoresist with a non-organic solvent as a stripping solution is as follows. As the permselective membrane 4, cellulose, ion exchange resin or the like is often used. These materials are generally soluble in organic solvents. Therefore, when a photoresist using an organic solvent as a stripping solution is used, the permselective film 4 is dissolved during stripping. For this reason, a photoresist using a non-organic solvent as a stripping solution must be used. A material that satisfies this requirement includes a solder resist used for a printed wiring board, and can be obtained at a low price.
[0029]
A non-permeable membrane 7 is formed around the protrusion 6 of the selectively permeable membrane 4. The water-impermeable film 7 is preferably one that can be cured at room temperature. This is because many of the enzymes used in biosensors are deactivated at high temperatures and lose their catalytic function. Even in GOX, which is relatively resistant to heat, the heat-resistant temperature is about 80 ° C. Suitable resins for the water-impermeable film 7 include silicone, polyurethane, polyacrylic acid, fluororesin and the like. After the water-impermeable membrane 7 is cured, the protrusion 6 is removed with a stripping solution, and the biosensor 10 having the limited permeable membrane 8 is completed.
[0030]
Although FIG. 1B shows a cross-sectional view of the biosensor 10 from which the single protrusion 6 is removed, actually, the plan view of FIG. 3A and the BB ′ cross-sectional arrow of FIG. As shown in FIG. 3 (B), a selective permeable membrane 4 and a plurality of biosensor elements comprising a working electrode 2 and a counter electrode 3 and electrode pads 12A and 12B on an insulating substrate 14 such as a large area glass are provided. A plurality of biosensor elements are integrally formed in a state where the immobilized enzyme membrane 5 and the impermeable membrane 7 are sequentially formed, and then a single biosensor 10 is cut into a pentagonal shape, A single biosensor 10 as shown in (B) is obtained.
[0031]
2A to 2F are schematic cross-sectional views showing the steps of the biosensor 10 shown in FIGS. 1A and 1B. Hereinafter, it demonstrates according to the order of a process. In FIG. 2A, a conductor film is formed on the insulating substrate 1 by vapor deposition or the like, and the working electrode 2 and the counter electrode 3 are formed by photolithography. In FIG. 2B, the selective transmission film 4 is formed on the entire surface by spin coating or the like. In FIG. 2C, the immobilized enzyme film 5 is formed on the entire surface by spin coating or the like, and a photoresist 9 using a non-organic solvent as a peeling solution is formed on the entire surface of the immobilized enzyme film 5, and then FIG. ), A large number of minute protrusions 6 made of a photoresist 9 are formed by exposure and development. In FIG. 2E, a water-impermeable resin solution is applied by spin coating or the like and dried to form a water-impermeable film 7 around the protrusions 6. In FIG. 2 (F), the protrusion 6 is removed using a stripping solution. In this way, the limited permeable membrane 8 having the minute permeable holes 11 and made of an impermeable material is formed.
[0032]
An embodiment of the current detection type biosensor shown in the above-described embodiments of FIGS. 1 to 3 will be described below.
[0033]
[Example 1]
A glass plate is used as the insulating substrate 14 shown in FIGS. 3A and 3B, the size is 50 mm × 60 mm, platinum (Pt) is vapor-deposited on the glass plate, and the action is performed by a lift-off method, milling, or the like. 100 sets of biosensor elements in which the electrode 2, the counter electrode 3, and the electrode pads 12 </ b> A and 12 </ b> B are patterned are formed. The conductive film may be gold (Au) or silver (Ag).
[0034]
Next, an alcohol solution of an ion exchange resin {trademark, Nafion} is applied to the entire surface by spin coating and dried at room temperature to obtain a selective oxide film 4.
[0035]
Next, a mixed solution of bovine serum albumin, glucose oxidase, and glutaraldehyde is applied to the entire surface and dried at room temperature to form an immobilized enzyme film 5.
[0036]
Next, a photoresist 9 whose stripping solution is a non-organic solvent is applied as shown in FIG. 2C, and this photoresist 9 is exposed and developed to form a protrusion 9 as shown in FIG. .
[0037]
As a mask pattern for exposing and developing the photoresist 9, one circle having a diameter of 1 μm was placed on the entire surface at a density of 10 8 / cm 2 in 10 μm square. A 1% sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution was used as the developer. Next, a silicone resin solution was applied to the entire surface with a thickness of 1 μm by spin coating. Next, the protrusions 6 were removed using a 4% aqueous sodium hydroxide (NaOH) solution. In this way, the limited permeable membrane 8 having many through holes 6 having a diameter of 1 μm was formed. In photolithography using ultraviolet rays, the limit of patterning is about 0.1 μm, and it is relatively easy to make a pattern of 1 μm. The aperture ratio of the limited permeable membrane 8 obtained in this way is a little less than 1%. Since the measurement range of urine sugar and the like is inversely proportional to the aperture ratio, in this case, the measurement range is designed to be about 100 times the original. Next, the insulating substrate 14 was divided to obtain 100 glucose sensors 10.
[0038]
The glucose sensor 10 was evaluated using a potentiostat (constant voltage stabilized power supply). In the evaluation using the phosphate buffer containing glucose, a linear calibration curve was obtained in the glucose concentration range of 0 to 5000 mg / dl. Next, when serum containing 500 mg / dl glucose was repeatedly measured 10 times, the coefficient of variation (standard deviation / average value) was 0.3%. Next, urine containing 2000 mg / dl glucose was measured in the same manner. As a result, the coefficient of variation was 10%, and the magnitude of the output current decreased by 10% after 10 measurements.
[0039]
In Example 1, a silicone resin is used as the water-impermeable film 7, but any resin that can be cured at 80 ° C. or lower can be used. For example, a polyurethane resin, a polyacrylic acid resin, a fluorine resin, or the like can be used.
[0040]
Further, the aperture ratio of the through holes 11 formed on the restricted permeable membrane 8 will be described with reference to FIGS. 4 (A) and 4 (B). FIG. 4A schematically shows the through-hole 11 on the working electrode 2 formed in the insulating substrate 1 used in the biosensor 10 of another embodiment to be described later, but in principle, on the working electrode 2. What is necessary is just to make it control the aperture ratio. Here, the aperture ratio indicates the ratio of the total area of the through holes to the circular area of the working electrode. FIG. 4B shows a saturation characteristic curve when the vertical axis represents the output current obtained between the working electrode 2 and the counter electrode 3 of the current detection type biosensor, and the horizontal axis 7 represents the glucose concentration. The saturation characteristic curve 22 in FIG. 4B is a saturation characteristic curve when the restricted permeable membrane 8 is not provided, and 23 is a saturation characteristic curve when the polycarbonate porous membrane shown in FIG. 9 is used as the restricted permeable membrane 108. In the first embodiment of the present invention, the case where the aperture ratio is selected to be 1% has been described. However, the diameter of the through hole 11 of the restricted transmission film 8 and the aperture ratio are designed appropriately for the mask pattern used during exposure and development of the photoresist 9. When the diameter is 1 μm or less (excluding 0) and the aperture ratio is selected from 0.01 to 10%, the saturation point of the glucose concentration is set to 50 to 500 mg / dl at the time of blood glucose measurement, and urine sugar A characteristic saturation curve 25 having a linear calibration curve can be easily and freely obtained from 0 to 2000 mg / dl (characteristic saturation curve 24) at the time of value measurement or a glucose concentration higher than 5000 mg / dl.
[0041]
FIGS. 5A and 5B show another embodiment of the present invention. The difference from FIGS. 1A and 1B is that Pt, Ag, Au, etc. are patterned on the insulating substrate 1. 1A, a semicircular counter electrode 3 and a reference electrode (reference electrode) 13 and electrode pads 12A, 12B, and 12C are provided so as to surround the substantially circular (2 mmφ) working electrode 2 from the left and right. In the counter electrode 3 of FIG. 5B, the reference electrode 13 is also used as the counter electrode 3, but in FIGS. 5A and 5B, an independent reference electrode 13 is provided to improve the measurement accuracy.
[0042]
The selective permeable membrane 4 coated on the working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 13, the immobilized enzyme membrane 5, the impermeable membrane 7 and the restricted permeable membrane 8 comprising the through holes 11 are shown in FIGS. ).
[0043]
In FIGS. 1 (A) and 1 (B), the amount of O 2 consumed by the reaction of glucose as a substrate with the enzyme of GOX is measured by current conversion according to the reaction formulas (1) and (2). However, it is also possible to use an ion sensitive transistor (ISFET) or the like, which will be described later, and it is also possible to use alcohol dehydrogenase other than glucose, penicillinase or the like as the enzyme. That is, the biosensor and biosensor manufacturing method of the present invention can also be applied to biosensors other than glucose sensors.
[0044]
Further, another embodiment of the biosensor and the biosensor manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0045]
6 (A) and 6 (B), the configuration is the same as that of the biosensor of FIGS. 1 and 2 except for the formation of the protrusion 6. After the immobilized enzyme film 5 is formed, a photoresist 9 using a non-organic solvent as a stripping solution is applied to the entire surface. At this time, it is desirable to make the resist thickness thinner than in the case of FIG. Next, as shown in FIG. 6A, the resist 9 is exposed from the light source 14 using a predetermined mask 16. When using a negative resist, the exposure amount at this time is reduced by several tens of percent from the normal condition. Next, a protrusion 6 obtained by developing the photoresist 9 is formed. By doing in this way, the projection part 6 of the diameter narrower than the pattern 17 of the mask 16 is obtained.
[0046]
In FIG. 6 (A), if the diameter of the pattern 17 on the mask 16 is 1 μm, a cylindrical protrusion 6 having −Δl of 1 μm is formed.
[0047]
Conversely, when a positive resist is used as shown in FIG. 6B, the same result can be obtained by overexposure. That is, if the diameter of the pattern 17 of the transmissive part on the mask 16 is 1 μm, the overexposure results in the projection 6 having a diameter smaller than the diameter of the transmissive part. In the case of FIG. 6B, the protrusion 6 is formed in a conical shape.
[0048]
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, up to the immobilized enzyme membrane 5 was formed. Next, a negative photoresist 9 was applied to a thickness of 0.5 μm. The mask pattern was the same as in Example 1. Next, the photoresist 9 was exposed by reducing the exposure amount by 20% from that in Example 1. When this was developed, a projection 6 having a diameter of 0.7 μm was obtained. Next, the silicone solution was spin-coated as a water-impermeable film 7 at a thickness of 0.5 μm and dried at room temperature. Next, the protrusion 6 was removed using a 4% NaOH aqueous solution.
[0049]
This glucose sensor 10 was evaluated using a potentiostat. In the evaluation using the phosphate buffer containing glucose, a linear calibration curve was obtained in the glucose concentration range of 0 to 8000 mg / dl. Next, when serum containing 500 mg / dl glucose was repeatedly measured 10 times, the coefficient of variation was 0.3%. Next, urine containing 2000 mg / dl glucose was measured in the same manner. The coefficient of variation was 5%, and no systematic decrease in output current was observed. The reason why the reproducibility was better than that of Example 1 was that contaminants (proteins and the like) infiltrated into the immobilized enzyme membrane 5 as the pore diameter of the through-hole 11 in the restricted permeable membrane 8 became smaller. It seems that it was prevented. It can be seen that it is better to change the mask and further reduce the hole diameter of the through hole 11 in order to increase the accuracy.
[0050]
FIG. 7 is a schematic side sectional view of a biosensor 10A in which an insulating substrate 1 portion is an ISFET (Ion Sensitive FET) as a chemical sensor to which the manufacturing method of the present invention can be applied. ) Restricted permeation in which a permeation hole 11 is formed in the permselective membrane 4, the immobilized enzyme membrane 5, and the water-impermeable membrane 7 instead of the gate provided between the source 18 and the drain 19 on the insulating substrate 20 such as silicon 21. The film 8 is formed sequentially.
[0051]
Unlike the current detection type biosensor 10, the above-described ISFET detects an electrochemical potential change using the FET 21. When a sample (aqueous solution) is immersed in the biosensor 10, an ion-sensitive layer such as the immobilized enzyme membrane 5. Since the potential of the surface of the FET 21 changes via the voltage, the amount of change in the potential is proportional to the PH value in the aqueous solution, and the hydrogen ion concentration (PH) is measured.
[0052]
In this case, the limited permeable membrane 8 is also a biosensor capable of easily controlling the aperture ratio of the through holes 11 formed in the impermeable membrane 7 by photolithography using an inexpensive photosensitive material, and a method of manufacturing the biosensor. can get.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a biosensor having a wide measurement range can be obtained easily and inexpensively. In addition, since the pore size and aperture ratio of the restricted permeable membrane can be freely designed, it is possible to manufacture a biosensor and a biosensor having arbitrary characteristics without increasing costs.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a plan view and a cross-sectional schematic view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the process of FIG. 1;
FIGS. 3A and 3B are a plan view and a schematic cross-sectional view showing a configuration when obtaining the biosensor of the present invention at the same time. FIGS.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an aperture ratio on the working electrode of a biosensor used in the present invention, and a saturation characteristic curve explanatory diagram showing a relationship between a glucose concentration of the biosensor and a detected output current.
FIGS. 5A and 5B are a front view and a cross-sectional schematic view showing another embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 6 is a sectional side view of a main part showing a method for producing a restricted permeable membrane of a biosensor of the present invention.
FIG. 7 is a schematic sectional view showing another embodiment of the biosensor of the present invention.
FIG. 8 is an external view of a conventional urine sugar measuring device.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional biosensor.
[Explanation of symbols]
1,14,20 ... Insulating substrate, 2,102 ... Working electrode, 3,103 ... Counter electrode, 4,104 ... Permselective membrane, 5,105 ... Immobilized enzyme membrane, 6 ... Projection 7, impervious film, 8 restricting permeable film, 9 photoresist, 11 through hole, 12 A, 12 B, 12 C electrode pad, 13 reference electrode, 21 FET, 108 Polycarbonate porous membrane

Claims (14)

反応層より下側に選択透過膜を有し、該反応層より外側に制限透過膜を有するバイオセンサであって、
上記制限透過膜の下地層上に非有機溶剤を剥離液とする感光性材料により設けられた微小な複数の突起部と、
上記複数の突起部の周囲に設けた不透水性膜とを具備し、
上記複数の突起部を除去して上記不透水性膜を残して微小な複数の小開口を有する上記制限透過膜と成したことを特徴とするバイオセンサ。
A biosensor having a permselective membrane below the reaction layer and having a restricted permeation membrane outside the reaction layer,
A plurality of minute protrusions provided by a photosensitive material having a non-organic solvent as a stripping solution on the underlayer of the limiting permeable membrane;
An impermeable film provided around the plurality of protrusions,
A biosensor comprising the restricted permeation membrane having a plurality of small openings leaving the plurality of protrusions to leave the impermeable membrane.
前記バイオセンサが電流検出型のバイオセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。The biosensor according to claim 1, wherein the biosensor is a current detection type biosensor. 前記バイオセンサがグルコースセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。The biosensor according to claim 1, wherein the biosensor is a glucose sensor. 前記バイオセンサが過酸化水素電極とグルコース酸化酵素からなるグルコースセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。The biosensor according to claim 1, wherein the biosensor is a glucose sensor comprising a hydrogen peroxide electrode and glucose oxidase. 前記バイオセンサがイオン感応性電界効果型トランジスタをトランスデューサとして用いたバイオセンサであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。The biosensor according to claim 1, wherein the biosensor is a biosensor using an ion-sensitive field effect transistor as a transducer. 反応層より下側に選択透過膜を有し、該反応層より外側に制限透過膜を有するバイオセンサの製造方法であって、
上記制限透過膜の下地層上に非有機溶剤を剥離液とする感光性材料を用いて微小な複数の突起部を形成する工程と、
上記突起部の周囲に不透水性膜を形成する工程と、
上記突起を除去する工程とから成ることを特徴とするバイオセンサの製造方法。
A method for producing a biosensor having a permselective membrane below the reaction layer and having a restricted permeation membrane outside the reaction layer,
Forming a plurality of minute protrusions using a photosensitive material having a non-organic solvent as a stripping solution on the underlayer of the limiting permeable membrane;
Forming a water-impermeable film around the protrusion, and
A method for producing a biosensor comprising the step of removing the protrusion.
前記感光性材料の剥離液が水酸化ナトリウム水溶液であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。The biosensor manufacturing method according to claim 6, wherein the stripping solution of the photosensitive material is an aqueous sodium hydroxide solution. 前記不透水性膜が80℃以下で硬化可能な樹脂であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。The biosensor manufacturing method according to claim 6, wherein the water-impermeable film is a resin curable at 80 ° C. or lower. 前記不透水性膜がシリコーン、ポリウレタン、ポリアクリル酸、フッ素樹脂のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。7. The method of manufacturing a biosensor according to claim 6, wherein the water-impermeable film contains silicone, polyurethane, polyacrylic acid, or a fluororesin as a main component. 前記突起部が円柱状または円錐状であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。The method of manufacturing a biosensor according to claim 6, wherein the protrusion is cylindrical or conical. 前記感光性材料を露光する工程において、オーバー露光またはアンダー露光にさせて、前記突起部を正規の条件で露光したときよりも細らせることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。7. The method of manufacturing a biosensor according to claim 6, wherein in the step of exposing the photosensitive material, overexposure or underexposure is performed to make the protrusions thinner than when exposed under normal conditions. . 前記突起部の直径が1μm以下であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。The biosensor manufacturing method according to claim 6, wherein a diameter of the protrusion is 1 μm or less. 前記制限透過膜の開口率が0.01〜10%であることを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。The method for producing a biosensor according to claim 6, wherein an opening ratio of the restricted permeable membrane is 0.01 to 10%. 前記バイオセンサを同一基板上に同時に複数個作製することを特徴とする請求項6記載のバイオセンサの製造方法。The biosensor manufacturing method according to claim 6, wherein a plurality of the biosensors are simultaneously manufactured on the same substrate.
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